無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　摘 要：介紹了在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的幾點(diǎn)優(yōu)勢，分析了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，給出了三個(gè)典型應(yīng)用領(lǐng)域中該系統(tǒng)的創(chuàng)新性構(gòu)建方案，并對該類系統(tǒng)中的幾種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，最后對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
　　關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);節(jié)點(diǎn);能源管理;數(shù)據(jù)融合

　　1 引言

　　近年來，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及人們對于環(huán)境保護(hù)和環(huán)境監(jiān)督提出的更高要求，越來越多的企業(yè)和機(jī)構(gòu)都致力于在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究。通過在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布署大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)，經(jīng)由無線通信方式形成一個(gè)多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的信息的采集量化、處理融合和傳輸應(yīng)用。與傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測手段相比，使用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測有三個(gè)顯著的優(yōu)勢：一是網(wǎng)絡(luò)的自組性提供了廉價(jià)而且快速部署網(wǎng)絡(luò)的可能;二是現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)可通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行（路由）傳送，在不增加功耗和成本的前提下，可將系統(tǒng)性能提高一個(gè)數(shù)量級;三是網(wǎng)絡(luò)的健壯性、抗毀性滿足了某些特定應(yīng)用的需求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是應(yīng)用性非常強(qiáng)的技術(shù)，它在當(dāng)前我國環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力是巨大的。

　　2 系統(tǒng)概述

　　環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于層次型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最底層為部署在實(shí)際監(jiān)測環(huán)境中的傳感器節(jié)點(diǎn)。向上層依次為傳輸網(wǎng)絡(luò)，基站，最終連接到Internet。傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊組成，傳感器節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。為獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)的部署密度往往很大，并且可能部署在若干個(gè)不相鄰的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，從而形成多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)將感應(yīng)到的數(shù)據(jù)傳送到一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將傳感器節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)經(jīng)由一個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到基站上。傳輸網(wǎng)絡(luò)是負(fù)責(zé)協(xié)同各個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、綜合網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)信息的局部網(wǎng)絡(luò)。基站是能夠和Internet相連的一臺計(jì)算機(jī)（或衛(wèi)星通信站），它將傳感數(shù)據(jù)通過Internet發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，同時(shí)它還具有一個(gè)本地?cái)?shù)據(jù)庫副本以緩存最新的傳感數(shù)據(jù)。監(jiān)護(hù)人員（或用戶）可以通過任意一臺連入Internet的終端訪問數(shù)據(jù)中心，或者向基站發(fā)出命令�；�于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)適合于在煤礦、油田安全監(jiān)測，溫室環(huán)境監(jiān)測、環(huán)保部門的大氣監(jiān)測、突發(fā)性環(huán)境事故的預(yù)測及分析、特殊污染企業(yè)的監(jiān)測，生物群種的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及家庭、辦公室及商場空氣質(zhì)量監(jiān)測等領(lǐng)域應(yīng)用。

　　圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)

　　3 系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)及架構(gòu)

　　3.1 系統(tǒng)特點(diǎn)
　　利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用領(lǐng)域一般具有以下特點(diǎn)：
　�。�1）無人環(huán)境、環(huán)境惡劣或超遠(yuǎn)距離情況下信息的采集和傳送，保證系統(tǒng)工業(yè)級品質(zhì)安全可靠。
　�。�2）生物群種對于外來因素非常敏感，人類直接進(jìn)行的生態(tài)環(huán)境監(jiān)控可能反而會破壞環(huán)境的完整性，包括影響生態(tài)環(huán)境中種群的習(xí)性和分布等。
　�。�3）需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備相對比較多，但僅僅用于監(jiān)測或控制。
　�。�4）系統(tǒng)實(shí)施、運(yùn)行費(fèi)用要低，無需鋪設(shè)大量電纜，支持臨時(shí)性安裝，系統(tǒng)易于擴(kuò)展和更新。
　�。�5）具有數(shù)據(jù)存儲和歸檔能力，能夠使大量的傳感數(shù)據(jù)存儲到后臺或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫，并能夠進(jìn)行離線的數(shù)據(jù)挖掘，數(shù)據(jù)分析也是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中非常重要的一個(gè)方面。

　　3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

　　3.2.1 礦井安全監(jiān)控

　　礦井利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)井下安全監(jiān)控的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)井下多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，主要包括CO、瓦斯、風(fēng)速和氣壓等參數(shù)，通過井場監(jiān)控終端（基站）和地面基站傳送給后臺監(jiān)控中心。后臺監(jiān)護(hù)人員通過該監(jiān)測系統(tǒng)可及時(shí)、有效、全面的掌握礦井情況，有利于礦井實(shí)施指揮調(diào)度、安全監(jiān)測，從而可以有效的防止礦井事故的發(fā)生。

　　圖2 礦井無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　3.2.2 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用非常典型。美國加州大學(xué)伯克利分校計(jì)算機(jī)系Intel實(shí)驗(yàn)室和大西洋學(xué)院（The College of the Atlantic, COA）聯(lián)合開展了一個(gè)名為 “in-situ”的利用傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控海島生態(tài)環(huán)境的項(xiàng)目。該研究組在大鴨島（Great Duck Island）上部署了由43個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)上安裝有多種傳感器以監(jiān)測海島上不同類型的數(shù)據(jù)。如使用光敏傳感器、數(shù)字溫濕度傳感器和壓力傳感器監(jiān)測海燕地下巢穴的微觀環(huán)境;使用低能耗的被動(dòng)紅外傳感器監(jiān)測巢穴的使用情況，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框